雁南煤礦I0128205綜放工作面采空區(qū)自燃“三帶”數(shù)值模擬研究

徐百平

摘要：為了探究雁南煤礦I0128205綜放工作面采空區(qū)自燃“三帶”分布規(guī)律，本文以雁南煤礦I0128205綜放工作面實際概況為工程背景，對采空區(qū)溫度場和氧氣場在實際通風量為1000m3/min的情況下進行數(shù)值模擬。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，劃分出I0128205綜放工作面采空區(qū)自燃“三帶”。

Abstract： In order to explore the distribution regularity of spontaneous combustion "three zone" in goaf of Yanan Coal Mine I0128205 fully mechanized coal face， this paper takes the actual overview as the engineering background， carries out numerical simulation of goaf temperature field and oxygen field under the condition that the ventilation volume is 1000m3/min. According to the results of numerical simulation， the "three zone" of spontaneous combustion in the goaf of fully mechanized coal face of I0128205 are divided.

關(guān)鍵詞：采空區(qū);自燃“三帶”分布規(guī)律;數(shù)值模擬

0? 引言

礦井火災(zāi)是煤礦主要災(zāi)害之一，大多數(shù)發(fā)生在采空區(qū)附近[1-3]。采空區(qū)遺煤在合適的通風量下與氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)，致使采空區(qū)遺煤氧化升溫，熱量積聚到一定程度就會使采空區(qū)遺煤自燃，引起火災(zāi)?；馂?zāi)的發(fā)生，不僅會威脅井下作業(yè)人員的生命安全，而且會造成火區(qū)周邊資源的浪費，直接影響礦井的安全、高效生產(chǎn)。

本文將以雁南煤礦I0128205綜放工作面為背景，以工作面實際參數(shù)建立采空區(qū)物理模型，在滿足工作面實際通風量情況下，對采空區(qū)自燃“三帶”分布規(guī)律展開研究，分析氧氣濃度場、溫度場的變化規(guī)律，為礦井的安全、高效生產(chǎn)提供有力的理論支持。

1? 工作面概況

雁南煤礦I0128205綜放工作面可采走向長度為1790m，工作面平均斜長200m，頂煤平均厚度為5.1m，采高為3.0m。工作面壓力大，不放煤走向長度為40m（初采10m，末采15m，預(yù)留停采線15m）。循環(huán)進度為1.60m，工作面回采率97%，頂煤回收率80%，煤層容重為1.23t/m3。雁南煤礦煤層具有煤層自燃傾向性，最短發(fā)火期為3-6個月，自燃等級為Ⅰ級。

2? 數(shù)值模擬計算

2.1 物理模型建立及網(wǎng)格劃分

根據(jù)I0128205工作面實際概況，建立采空區(qū)三維模型。模型一共由4個部分組成：即進風巷道、回風巷道、采煤工作面和采空區(qū)，如圖1所示。對已建立的采空區(qū)物理模型進行了網(wǎng)格劃分，共計產(chǎn)生358000個網(wǎng)格，每個網(wǎng)格的步長為0.5m，具體如圖2所示。

2.2 控制方程

2.2.1 連續(xù)性方程[4]

2.2.2 動量方程[5]

數(shù)值模型內(nèi)流體滿足完全形式的Navier-Stokes方程：

2.2.3 氧氣擴散系數(shù)

2.2.4 滲透率分布系數(shù)

數(shù)值模型中滲透率分布系數(shù)由Carman公式[7]確定：

2.2.5 方程中的氧氣的耗散速率依靠阿累尼烏斯定律[8]表述：

將以上方程通過udf編寫等方式，定義到模擬軟件中，用以計算。

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

將已建立完成的采空區(qū)模型導(dǎo)入fluent中進行迭代計算，經(jīng)過3500步左右計算后，氧氣濃度殘差曲線趨于收斂，氧氣濃度殘差滿足模擬計算要求。

2.3.1 采空區(qū)內(nèi)溫度場分析

由圖3溫度場分布云圖中可知：工作面向前推進，采空區(qū)內(nèi)溫度呈現(xiàn)先上升再下降的趨勢，高溫區(qū)域主要集中在進風巷側(cè)，進風巷側(cè)平均溫度明顯大于回風巷側(cè)平均溫度。

2.3.2 采空區(qū)氧氣場分析

如圖4可以看出，當工作面通入新鮮風流后，在采空區(qū)內(nèi)部存在滲流通道，致使采空區(qū)內(nèi)部發(fā)生空氣滲流。隨著工作面的不斷向前推進，采空區(qū)內(nèi)氧氣濃度也逐漸減低。在進風巷側(cè)，距離工作面70m左右，工作面采空區(qū)氧氣濃度在18%左右;距工作面90m左右，工作面采空區(qū)氧氣濃度在10%左右。在回風側(cè)，距離工作面40m左右，工作面采空區(qū)內(nèi)氧氣濃度在18%左右;距離工作面60m左右，工作面采空區(qū)內(nèi)氧氣濃度在10%左右。當工作面繼續(xù)向前推進，工作面采空區(qū)內(nèi)的氧氣濃度變化的越不明顯。

根據(jù)氧氣濃度來劃分，劃分依據(jù)一般為：自燃帶的氧氣濃度>18%;氧化帶的氧氣濃度：10～18%;窒息帶的氧氣濃度：<10%。本文根據(jù)氧氣場模擬結(jié)果進行劃分確定I0128205工作面采空區(qū)自燃“三帶”范圍為：在進風巷側(cè)，采空區(qū)自燃“三帶”分布范圍為：自燃帶寬度70m;氧化帶寬度20m;窒息帶寬度>90m。在回風巷側(cè)，采空區(qū)自燃“三帶”分布范圍為：自燃帶寬度40m;氧化帶寬度20m;窒息帶寬度>60m。

3? 結(jié)論

①工作面向前推進，采空區(qū)內(nèi)溫度呈現(xiàn)先上升再下降的趨勢，高溫區(qū)域主要集中在進風巷側(cè)，進風巷側(cè)平均溫度明顯大于回風巷側(cè)平均溫度。

②隨著工作面的不斷向前推進，采空區(qū)內(nèi)氧氣濃度也逐漸減低。

③I0128205工作面采空區(qū)自燃“三帶”范圍為：在進風巷側(cè)，采空區(qū)自燃“三帶”分布范圍為：自燃帶寬度70m;氧化帶寬度20m;窒息帶寬度>90m。在回風巷側(cè)，采空區(qū)自燃“三帶”分布范圍為：自燃帶寬度40m;氧化帶寬度20m;窒息帶寬度>60m。

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